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分布式传感器在电力电缆温度系统中的应用

电子技术 西安工业大学 陈芳兰 周芸 路青起?? 2010年04月08日 ?? 收藏0

  为了实时监测高压电力电缆温度状态,针对其高压、强磁场工作环境提出基于分布式光纤传感器的高压电力电缆温度在线监测系统设计方案。该方案采用DSP的快速累加,并利用Stokes信号解调Anti-Stokes信号,极大提高信噪比。此外,还介绍该系统在电力电缆中的实例应用,阐述其在电力系统中的实用价值。

  随着光纤传感技术的不断发展,单晶光纤是目前高温环境下最适用的光波导材料之一,其测量温度最高2 000℃,温度分辨率0.1℃,因而利用光纤传感技术设计高压电力电缆温度在线监测系统具有精度高、坚硬而且弯曲灵活、体积小和抗电磁干扰强等特点。高压电力电缆网是呈一定空间分布的场,为了获得被测对象较完整的信息,采用基于拉曼分布式光纤传感系统,该系统在空间狭小、强电磁场、易燃及易爆等恶劣环境中具有良好的应用价值。

  1 系统构成原理

  光纤的光时域反射技术(OTDR)是实现分布测量的基本依据。当窄带光脉冲被注入光纤中时,通过测后向散射光强随时间变化关系检查光纤的连续性并测量其衰减。

  激光脉冲在光纤中传输时,由于光纤中存在折射率的微观不均匀性,产生拉曼散射。拉曼散射是由光纤中非传播的局域密度不均匀和成分不均匀所致,这种不均匀性是在拉纤阶段,二氧化硅由熔融态转变为凝固态的过程中形成的。激光脉冲在光纤中所走过的路程为:2L=vt。其中,t为入射光经后向散射返回到光纤入射端所需时间;v为光在光纤中的传播速度,v=c/n,c为真空中的光速,n为光纤的折射率;L为光纤某处到光纤入射端的距离。

  在t时刻测量距光纤入射端距离为L处局域的后向拉曼散射光,OTDR为分布式测量提供可靠的理论依据。

  本系统采用基于Raman后向散射的分布式光纤温度传感原理,采用双通道双波长比较方法,即分别采集Anti-Stokes光和Stokes光,利用两者强度的比值解调温度信号。由于Anti-Stokes光对温度更灵敏,因此Anti-Stokes光作为信号通道,Stokes光作为比较通道,则两者之间的强度比为

强度比

  式中,λs,λas分别为Stokes和Anti- Stokes光波长;h为普朗克常数;c为真空中的光速;k是玻耳兹曼常量;△γ为偏移波数:T为绝对温度。

  可见,在测温系统中通过测定R(T) 就可以确定沿光纤各测量点的温度值。

  2 系统构成

  分布式光纤测温系统在整个测量光纤长度上,以距离的连续函数形式表示被测点的温度随光纤长度的变化。电力电缆温度监测系统的核心——基于拉曼分布式光纤温度传感器系统,如图l所示。该系统分为光纤温度场信息采集、光电探测和电路信号后处理3个子系统。

系统构成

  2.1 光纤温度场信息采集

  光纤温度场信息采集子系统包括半导体激光器及其脉冲驱动电路、光功率放大器(EDFA)、光纤分束器、传感光纤及窄带光滤波器。激光技术中激光高速调制与大功率输出是一对矛盾,大功率激光器窄脉冲调制困难;同时其驱动电流大,而大电流、窄脉冲的激光器驱动源设计和实现困难。光通信采用950 nm的高速调制半导体激光器则易于实现10 ns的脉冲输出。使用光功率放大器提升光功率可获得瓦数量级光功率输出。采用30 dB以上功率放大倍数的低噪声EDFA掺铒光纤放大器。选用插入损耗小,分束比高的光纤分束器以保证最小光能量损失。为了能够最大幅度提高整个系统的信噪比SNR,实现系统高技术指标要求。光发射端采用EDFA提升发射光功率和信号光功率。图2为光源和光电转换部分框图。

光源和光电转换部分框图

  2.2 光电探测

  采用波长为150 nm的InGaAs高量子效率的APD及噪声的前放单元,实现微弱光信号的接收转换和低噪声预放大。主放大电路主要完成信号光经光探测器转换为光电流形式,再经其自身带有的低噪声前置放大后,输出差动形式的电平信号,进入宽带放大电路。


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分布式传感器? 电缆温度? OTDR? 后向拉曼散射?

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